Wanneer elektronica hun eigen stroombronnen nodig heeft, er zijn twee basisopties:batterijen en oogstmachines. Batterijen slaan energie intern op, maar zijn daardoor zwaar en hebben een beperkte voorraad. Oogstmachines, zoals zonnepanelen, energie uit hun omgeving halen. Dit omzeilt enkele van de nadelen van batterijen, maar introduceert nieuwe, in die zin dat ze alleen onder bepaalde omstandigheden kunnen werken en die energie niet heel snel in bruikbare kracht kunnen omzetten.

Nieuw onderzoek van de School of Engineering and Applied Science van de University of Pennsylvania overbrugt voor het eerst de kloof tussen deze twee fundamentele technologieën in de vorm van een "metal-air scavenger" die het beste van twee werelden haalt.

Deze metaal-luchtvanger werkt als een batterij, in die zin dat het kracht levert door herhaaldelijk een reeks chemische bindingen te verbreken en te vormen. Maar het werkt ook als een oogstmachine, in dat vermogen wordt geleverd door energie in zijn omgeving:specifiek, de chemische bindingen in metaal en lucht rond de metaal-luchtvanger.

Het resultaat is een stroombron die 10 keer meer vermogensdichtheid heeft dan de beste energieoogstmachines en 13 keer meer energiedichtheid dan lithium-ionbatterijen.

Op de lange termijn, dit type energiebron zou de basis kunnen zijn voor een nieuw paradigma in robotica, waar machines zichzelf aangedreven houden door metaal te zoeken en te "eten", het afbreken van de chemische bindingen voor energie zoals mensen doen met voedsel.

Op korte termijn, deze technologie drijft al een paar spin-offbedrijven aan. De winnaars van Penn's jaarlijkse Y-Prize Competition zijn van plan om metaal-lucht aaseters te gebruiken om goedkope lampen van stroom te voorzien voor off-grid huizen in ontwikkelingslanden en duurzame sensoren voor zeecontainers die kunnen waarschuwen voor diefstal, schade of zelfs mensenhandel.

De onderzoekers, James Pikul, universitair docent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica, samen met Min Wang en Unnati Joshi, leden van zijn laboratorium, een studie gepubliceerd die de mogelijkheden van hun aaseter in het tijdschrift aantoont ACS Energiebrieven .

De motivatie voor het ontwikkelen van hun metaal-luchtvanger, of MAS, kwam voort uit het feit dat de technologieën die de hersenen van robots vormen en de technologieën die ze aandrijven fundamenteel niet bij elkaar passen als het gaat om miniaturisatie.

Naarmate de grootte van individuele transistors kleiner wordt, chips zorgen voor meer rekenkracht in kleinere en lichtere pakketten. Maar batterijen profiteren niet op dezelfde manier als ze kleiner worden; de dichtheid van chemische bindingen in een materiaal is vast, dus kleinere batterijen betekenen noodzakelijkerwijs minder bindingen om te verbreken.

"Deze omgekeerde relatie tussen computerprestaties en energieopslag maakt het erg moeilijk voor kleinschalige apparaten en robots om gedurende lange tijd te werken, " zegt Pikul. "Er zijn robots zo groot als insecten, maar ze kunnen maar een minuut werken voordat hun batterij leeg is."

Nog steeds slechter, door een grotere batterij toe te voegen, kan een robot niet langer meegaan; de toegevoegde massa kost meer energie om te bewegen, waardoor de extra energie van de grotere batterij teniet wordt gedaan. De enige manier om deze frustrerende omgekeerde relatie te verbreken is door te zoeken naar chemische bindingen, in plaats van ze mee te nemen.

"Maaiers, zoals degenen die zonne-energie verzamelen, thermische of trillingsenergie, worden steeds beter, " zegt Pikul. "Ze worden vaak gebruikt om sensoren en elektronica van stroom te voorzien die niet op het elektriciteitsnet zijn en waar je misschien niemand in de buurt hebt om batterijen te verwisselen. Het probleem is dat ze een lage vermogensdichtheid hebben, wat betekent dat ze de energie niet zo snel uit de omgeving kunnen halen als een batterij die kan leveren."

"Onze MAS heeft een vermogensdichtheid die tien keer beter is dan die van de beste oogstmachines, tot het punt dat we kunnen concurreren met batterijen, " hij zegt, "Het gebruikt batterijchemie, maar heeft niet het bijbehorende gewicht, omdat het die chemicaliën uit de omgeving haalt."

Net als een traditionele batterij, de MAS van de onderzoekers begint met een kathode die is aangesloten op het apparaat dat het van stroom voorziet. Onder de kathode bevindt zich een plak hydrogel, een sponsachtig netwerk van polymeerketens dat elektronen geleidt tussen het metaaloppervlak en de kathode via de watermoleculen die het draagt. Met de hydrogel als elektrolyt, elk metalen oppervlak dat het aanraakt, functioneert als de anode van een batterij, waardoor elektronen naar de kathode kunnen stromen en het aangesloten apparaat van stroom kunnen voorzien.

Voor hun studie, de onderzoekers sloten een klein gemotoriseerd voertuig aan op het MAS. De hydrogel erachteraan slepen, het MAS-voertuig oxideerde metalen oppervlakken waarover het reed, een microscopisch laagje roest achterlatend.

Om de efficiëntie van deze aanpak aan te tonen, de onderzoekers lieten hun MAS-voertuig rondjes rijden op een aluminium oppervlak. Het voertuig was uitgerust met een klein reservoir dat continu water in de hydrogel pompte om uitdroging te voorkomen.

"Energiedichtheid is de verhouding van beschikbare energie tot het gewicht dat moet worden gedragen, "zegt Pikul. "Zelfs als je het gewicht van het extra water meerekent, de MAS had 13 keer de energiedichtheid van een lithium-ionbatterij omdat het voertuig alleen de hydrogel en kathode hoeft te dragen, en niet het metaal of de zuurstof die de energie leveren."

De onderzoekers testten de MAS-voertuigen ook op zink en roestvrij staal. Verschillende metalen geven de MAS verschillende energiedichtheden, afhankelijk van hun oxidatiepotentieel.

Deze oxidatiereactie vindt alleen plaats binnen 100 micron van het oppervlak, dus terwijl de MAS alle gemakkelijk beschikbare bindingen kan opgebruiken met herhaalde reizen, er is weinig risico dat het aanzienlijke structurele schade aanricht aan het metaal dat het opruimt.

Met zoveel mogelijke toepassingen, het MAS-systeem van de onderzoekers paste goed bij Penns jaarlijkse Y-prijs, een businessplanwedstrijd die teams uitdaagt om bedrijven te bouwen rond ontluikende technologieën die zijn ontwikkeld bij Penn Engineering. Het eerste team van dit jaar, metalen licht, verdiende $ 10, 000 voor hun voorstel om MAS-technologie te gebruiken in goedkope verlichting voor off-grid huizen in ontwikkelingslanden. M-kwadraat, die $ 4 verdiende, 000 op de tweede plaats, is van plan om MAS-aangedreven sensoren in zeecontainers te gebruiken.

"Op korte termijn, we zien dat onze MAS internet-of-things-technologieën aandrijft, zoals wat Metal Light en M-Squared voorstellen, ' zegt Pikul. 'Maar wat ons echt aansprak, en de motivatie achter dit werk, is hoe het de manier verandert waarop we denken over het ontwerpen van robots."

Veel van Pikuls andere onderzoek betreft het verbeteren van technologie door gebruik te maken van aanwijzingen uit de natuurlijke wereld. Bijvoorbeeld, de hoge sterkte van zijn laboratorium, "metallic wood" met een lage dichtheid is geïnspireerd op de celstructuur van bomen, en zijn werk aan een robot-lionfish omvatte het geven van een vloeibaar batterijcirculatiesysteem dat ook pneumatisch zijn vinnen bediende.

De onderzoekers zien in hun MAS een nog fundamenteler biologisch concept:voedsel.

"Naarmate we robots krijgen die intelligenter en capabeler zijn, we hoeven ons niet langer te beperken tot het inpluggen van een muur. Ze kunnen nu zelf energiebronnen vinden, net zoals mensen dat doen, " zegt Pikul. "Op een dag, een robot die zijn batterijen moet opladen, moet alleen wat aluminium vinden om te 'eten' met een MAS, die het genoeg kracht zou geven om het te laten werken tot de volgende maaltijd."